高連新，馬 超

(華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 上海 200237)

0 引 言

據(jù)勘探，大量石油天然氣埋藏在四川盆地的海相地層，但海相地層的石油和天然氣埋藏超深、壓力超高、腐蝕性極強(qiáng)，并且有復(fù)雜的壓力系統(tǒng)存在。在如此復(fù)雜的地層施工、下套管時(shí)磨阻很大，遇阻、遇卡環(huán)節(jié)多，時(shí)常發(fā)生旋轉(zhuǎn)下套管和強(qiáng)扭、強(qiáng)壓下套管等特殊施工措施[1-2]，在這種情形下，一般的接頭很難滿足工程要求，急需一種具有更高抗扭能力的套管接頭。這種接頭不僅需要承受更高的扭矩，同時(shí)還必須有足夠的強(qiáng)度來(lái)承受更強(qiáng)的壓縮、沖擊載荷，以應(yīng)對(duì)復(fù)雜井況的需要[3]。

本文作者在多年實(shí)踐的基礎(chǔ)上，與中石化南方勘探公司合作開(kāi)發(fā)了一種雙臺(tái)肩高抗扭特殊螺紋接頭。該接頭突出的特點(diǎn)是抗扭能力強(qiáng)，適于旋轉(zhuǎn)下套管使用，它在很高的扭矩、壓縮載荷下仍能保持良好的氣密封性能。該扣型已經(jīng)完成了試生產(chǎn)和下井試用，并取得了初步成果。目前，隨著頁(yè)巖氣、頁(yè)巖油開(kāi)發(fā)規(guī)模的擴(kuò)大，旋轉(zhuǎn)下套管工藝將會(huì)得到推廣[4]，因此對(duì)套管的抗扭能力也將提出更高要求，鑒于此，本文給出了一種雙臺(tái)肩高抗扭特殊螺紋接頭的開(kāi)發(fā)過(guò)程。

1 不同套管接頭的抗扭機(jī)理分析

1.1 API接頭的抗扭機(jī)理

目前，石油套管接頭多為API接頭，這種接頭又分為圓螺紋接頭和偏梯形螺紋接頭兩種[5]，如圖1所示。

圖1 API螺紋接頭

API接頭技術(shù)成熟，嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)加工制造。其缺點(diǎn)是：1)螺紋需要承擔(dān)接頭受到的所有扭矩，易粘扣，抗扭性能較差；2)接頭擰緊后，內(nèi)、外螺紋不能全面接觸，螺紋牙之間仍然有一定的空隙，造成密封性、特別是氣密封性的不足，不能用于天然氣井的開(kāi)采[6]。

API接頭在工作時(shí)，螺紋需要承受全部的扭矩，在上扣過(guò)程中，內(nèi)、外螺紋產(chǎn)生接觸并發(fā)生過(guò)盈配合，接觸力引起摩擦，形成扭矩。一定上扣扭矩的存在，主要是給接頭提供足夠的接觸壓力，從而使接頭具有一定的密封作用。另外，足夠的上扣扭矩可以防止接頭在使用過(guò)程中松動(dòng)。從理論上講，普通API螺紋(包括圓螺紋和偏梯形螺紋)的上扣扭矩/圈數(shù)曲線如圖2(a)所示，該曲線近似為一條平滑的拋物線?？梢钥闯觯峡叟ぞ貢?huì)隨著上扣圈數(shù)的增加，快速變大。

圖2 套管接頭上扣扭矩曲線

對(duì)于上扣扭矩值大小的確定，API圓螺紋接頭取其連接強(qiáng)度值的1%(英制單位下)作為最佳扭矩，最佳扭矩的1.25倍為最大扭矩，最佳扭矩的0.75倍為最小扭矩[7]。實(shí)際上扣的扭矩值在最小扭矩與最大扭矩之間即為合格，否則為不合格。API偏梯形螺紋則按照位置上扣，以三角標(biāo)記的底邊為依據(jù)，對(duì)上扣扭矩值沒(méi)有作規(guī)定。可見(jiàn)，API螺紋上扣扭矩的范圍很寬，扭矩值的確定也沒(méi)有嚴(yán)格的公式。

API圓螺紋套管接頭連接強(qiáng)度可以由下式計(jì)算[8]：

(1)

式中:A為最后一牙完整螺紋處管體的橫截面積，in2(1 in=25.4 mm)；L為嚙合螺紋長(zhǎng)度，in；D為管體名義外徑，in；σb為管體抗拉強(qiáng)度，psi(1 psi=6.895 kPa)；σs為管體屈服強(qiáng)度，psi。

從公式可見(jiàn)，影響API圓螺紋接頭連接強(qiáng)度(亦即抗扭強(qiáng)度)的主要因素有：管體橫截面積、管子外徑、嚙合螺紋長(zhǎng)度以及材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等。管體橫截面積取決于壁厚和外徑，這些指標(biāo)受套管規(guī)格限制，增加的量是受限制的，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度與套管鋼級(jí)要求有關(guān)，也不能隨便增加，而螺紋長(zhǎng)度受螺紋錐度(1∶16)的制約，延長(zhǎng)的幅度很有限。因此，受API螺紋的結(jié)構(gòu)限制，要進(jìn)一步提高其連接強(qiáng)度(亦即抗扭能力)是很困難的，提高的幅度很有限。

1.2 特殊螺紋接頭的抗扭機(jī)理

針對(duì)API螺紋的上述缺點(diǎn)，各個(gè)油、套管生產(chǎn)廠設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出了性能更好的特殊螺紋接頭。其結(jié)構(gòu)如圖3所示，它一般由三部分組成。

圖3 特殊螺紋接頭基本結(jié)構(gòu)

1)金屬/金屬密封結(jié)構(gòu)。常見(jiàn)的密封結(jié)構(gòu)有：球面/球面密封、球面/錐面密封、球面/柱面密封、錐面/錐面密封、以及柱面對(duì)柱面密封等。除上述幾種徑向金屬/金屬密封結(jié)構(gòu)外，少量特殊螺紋接頭還設(shè)計(jì)有彈性密封結(jié)構(gòu)，通過(guò)在螺紋中嵌入彈性密封圈達(dá)到輔助密封的效果[9]。

2)保證接頭結(jié)構(gòu)完整性的螺紋形式。采用能承受較高拉伸載荷的偏梯形螺紋或改進(jìn)型偏梯形螺紋結(jié)構(gòu)，從而強(qiáng)化接頭螺紋的連接性能，使其不會(huì)先于管體發(fā)生失效；

3)控制擰緊的位置、防止“造扣”的扭矩臺(tái)肩。特殊螺紋設(shè)計(jì)的扭矩臺(tái)肩與螺紋共同承擔(dān)上扣扭矩，解決了API螺紋受加工參數(shù)波動(dòng)、螺紋脂類(lèi)型和擰接扭矩大小等因素影響而導(dǎo)致的擰接位置波動(dòng)問(wèn)題，同時(shí)還起到輔助密封的作用[9]。

可見(jiàn)，API螺紋上扣時(shí)扭矩全部作用在螺紋上(見(jiàn)圖2a)，而特殊螺紋的上扣扭矩只有少部分作用在螺紋上(一般占全部扭矩的30%左右)，其余的大部分扭矩則作用在扭矩臺(tái)肩上(見(jiàn)圖2b)，這樣的設(shè)計(jì)使特殊螺紋接頭的抗扭性能有了巨大的提升。通常，特殊螺紋接頭可以承受的扭矩至少為普通API接頭的1.5～2倍。

2 雙臺(tái)肩高抗扭特殊螺紋接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

針對(duì)四川海相氣田迫切需要具有較高抗扭性能及抗壓縮性能的套管接頭的鉆井需求，該雙臺(tái)肩高抗扭特殊螺紋接頭的設(shè)計(jì)目標(biāo)為：1)卓越的抗扭性能。采用雙扭矩臺(tái)肩設(shè)計(jì)，最大限度地提高臺(tái)肩的抗扭能力，達(dá)到普通API接頭抗扭能力的3倍。2)達(dá)到管體內(nèi)屈服壓力的氣密封能力。氣密封性能是特殊扣的基本要求，增加抗扭性能不能犧牲接頭的氣密封性。3)連接性能、抗拉伸效率和抗壓縮效率均達(dá)到100%，即連接強(qiáng)度高于或等于管體。

2.2 設(shè)計(jì)流程

設(shè)計(jì)雙臺(tái)肩高抗扭套管接頭時(shí)，主要考慮以下三方面問(wèn)題：1)使用性能。滿足旋轉(zhuǎn)下套管工藝要求，接頭抗扭、抗壓縮性能好，且在此工況下仍能保持氣密封能力。2)加工性能。在現(xiàn)有設(shè)備條件下，必須易于加工，且保證產(chǎn)品成材率較高。3)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。圖4所示的框圖為完整的設(shè)計(jì)流程圖。

圖4 設(shè)計(jì)流程

2.3 設(shè)計(jì)方法

目前特殊螺紋接頭的分析設(shè)計(jì)方法主要有3種：試驗(yàn)法、有限元法和解析法。試驗(yàn)法直觀、可靠，但它測(cè)得的應(yīng)力、應(yīng)變只限于接頭的表面，無(wú)法深入接頭內(nèi)部，而且費(fèi)用高[10]。解析法需要先假設(shè)接頭產(chǎn)生的都是彈性形變，而實(shí)際情況卻往往復(fù)雜得多。目前比較傾向于采用的方法是有限元法，有限元法的應(yīng)用，縮短了特殊螺紋接頭的開(kāi)發(fā)周期，已成為開(kāi)發(fā)特殊螺紋接頭的重要工具。

特殊螺紋接頭的有限元分析是一個(gè)綜合了邊界條件非線性、幾何非線性和材料非線性的彈塑性接觸問(wèn)題，其中接觸分析是難點(diǎn)。在本文中，描述接觸邊界的方法為直接約束法[11]。應(yīng)用上述方法，系統(tǒng)的自由度不會(huì)改變，在接觸體接觸的邊界上，能直接針對(duì)參與接觸的單元進(jìn)行選擇，以接觸相容的條件確定節(jié)點(diǎn)上作用的載荷和發(fā)生的位移，計(jì)算時(shí)，用接觸體p和c來(lái)代替外螺紋和內(nèi)螺紋，有限元基本方程為[12]：

[Kp(up)]{up}={Pp}{Rp}

(2)

[Kc(uc)]{uc}={Pc}{Rc}

(3)

式中，[Kp(up)]為外螺紋的剛度矩陣；[Kc(uc)] 為內(nèi)螺紋的剛度矩陣；{up}、{uc}為外、內(nèi)螺紋的位移向量；{Rp}、{Rc}為外、內(nèi)螺紋的接觸力向量；{Pp}、{Pc}為外、內(nèi)螺紋的外力向量。

本文中，進(jìn)行模型的導(dǎo)入和網(wǎng)格的劃分的工具是非線性有限元分析軟件MSC.Marc和它的專(zhuān)用前后處理器Mentat，對(duì)幾何結(jié)構(gòu)、邊界條件和材料的三重非線性以及摩擦進(jìn)行綜合考慮，使用Newton-Raphson method對(duì)單元平衡方程進(jìn)行求解。

2.4 結(jié)構(gòu)確定

如1.1所述， API螺紋接頭的錐管螺紋承擔(dān)所有扭矩，因此抗扭性能較差。而由于扭矩臺(tái)肩結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，特殊螺紋接頭的扭矩大部分會(huì)作用在扭矩臺(tái)肩上，螺紋受到的扭矩大大減小，抗扭能力顯著提高，見(jiàn)圖5(a)。

圖5 接頭的扭矩臺(tái)肩對(duì)比

要進(jìn)一步提高特殊螺紋接頭的抗扭能力，增加臺(tái)肩厚度是最有效的辦法。但臺(tái)肩厚度的增加是有限度的。因?yàn)橐ㄟ^(guò)過(guò)盈配合來(lái)實(shí)現(xiàn)接頭的密封，必然要依賴(lài)于內(nèi)外密封表面的彈性變形，但是要增加臺(tái)肩厚度，又必然會(huì)導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)密封處的管壁變厚，彈性變形難以發(fā)生，最終導(dǎo)致密封面發(fā)生損壞。因此單純?cè)黾优_(tái)肩厚度的方法并不合適。

為了解決臺(tái)肩厚度的問(wèn)題，本文采用了雙臺(tái)肩的設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖5(b)。由于這種結(jié)構(gòu)改進(jìn)，扭矩由兩個(gè)臺(tái)肩分擔(dān)，應(yīng)力集中問(wèn)題得到改善，接頭的抗扭強(qiáng)度也得到提升，相較于普通API接頭，該接頭擁有3倍以上的抗扭能力，而相較于單臺(tái)肩接頭，抗扭能力則有1.5倍以上。

密封性能是特殊扣套管的基本要求，高抗扭套管不但具有優(yōu)良的抗扭性能，而且還要具有優(yōu)良的氣密封性能。將錐面對(duì)錐面結(jié)構(gòu)作為接頭的主密封，并將密封錐面設(shè)置在兩個(gè)臺(tái)肩之間：內(nèi)螺紋的主、輔助臺(tái)肩之間設(shè)置錐度為1∶8.5的錐面，外螺紋的主輔助臺(tái)肩之間設(shè)置錐度為1∶10的錐面。密封錐面較長(zhǎng)，在7 mm到16 mm之間，比較于球面/錐面或球面/柱面密封結(jié)構(gòu)，當(dāng)接觸應(yīng)力相同時(shí)，錐面/錐面密封產(chǎn)生的彈性形變更大，從而使接頭獲得更好的氣密封效果。同時(shí)，考慮到內(nèi)外錐面的變形抗力不同，因此在保證了內(nèi)外錐面的配合后，將兩個(gè)錐面設(shè)計(jì)成不同的錐度，這樣，內(nèi)外錐面可以在整個(gè)表面上緊密接觸，從而得到趨于均勻的接觸壓力，如圖6所示。

圖6 密封錐面的錐度設(shè)置對(duì)比

考慮到偏梯形螺紋優(yōu)良的連接性能，而且易于加工和檢測(cè)，該高抗扭套管螺紋選擇偏梯形螺紋形式，最后得到的結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 高抗扭接頭的結(jié)構(gòu)

3 抗扭能力計(jì)算

對(duì)于臺(tái)肩承擔(dān)扭矩的接頭，可以參考鉆桿接頭上扣扭矩的計(jì)算方法，查閱API RP 7G[13]，要計(jì)算螺紋接頭上位于旋轉(zhuǎn)臺(tái)肩連接的上扣扭矩，采用下面的計(jì)算方法：

(4)

式中:S為接頭材料屈服強(qiáng)度，MPa；A為主、副臺(tái)肩附近的危險(xiǎn)截面面積，mm2；p為螺距，mm；Rt為螺紋平均中徑，mm；Rs為臺(tái)肩平均半徑，mm；f為材料接觸的摩擦系數(shù)；α為螺紋的牙型半角。

以φ177.8×10.36 mm P110鋼級(jí)的該高抗扭接頭為例，利用上面的公式，計(jì)算得到接頭的屈服扭矩(即接頭的抗扭能力)為44 278 N·m。而同規(guī)格、同鋼級(jí)的長(zhǎng)圓螺紋接頭，API給出的最佳扭矩是10 800 N·m，最大扭矩是13 500 N·m。可見(jiàn)，本文設(shè)計(jì)的高抗扭接頭，抗扭能力超過(guò)了圓螺紋接頭最大扭矩的3倍。

公式(4)給出的扭矩計(jì)算公式將臺(tái)肩上和螺紋上的應(yīng)力放在一起計(jì)算，也沒(méi)有考慮螺紋的接觸面積會(huì)受錐度的影響，如此一來(lái)，計(jì)算就會(huì)慢慢積累出不能忽視的誤差。同時(shí)，對(duì)比于API鉆桿接頭，高抗扭接頭的結(jié)構(gòu)變化很大，因此上式的上扣扭矩計(jì)算不夠準(zhǔn)確，只能用于參考。

對(duì)于帶臺(tái)肩的特殊螺紋接頭，可以通過(guò)有限元方法計(jì)算其上扣扭矩，對(duì)于本文設(shè)計(jì)的雙臺(tái)肩高抗扭接頭，上扣扭矩包含三部分——兩個(gè)臺(tái)肩的臺(tái)階面之間的扭矩、密封錐面以及螺紋面上的摩擦扭矩，采用下式計(jì)算[14-15]：

(5)

式中:T為上扣扭矩，N·m；Tz為主肩面摩擦扭矩，N·m；Tf為副肩面摩擦扭矩，N·m；Tm為密封錐面摩擦扭矩，N·m；Ti為第i牙螺紋面摩擦扭矩，N·m。其中，以公扣為例，取完全嚙合的n牙，螺紋牙編號(hào)從公扣大端到鼻端依次為1～n。

進(jìn)行有限元分析時(shí)，對(duì)于接頭上任何發(fā)生接觸的節(jié)點(diǎn)，此處的接觸應(yīng)力記為Ni，該節(jié)點(diǎn)到管子軸線的距離記為Ri，那么，所有發(fā)生接觸的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的摩擦扭矩為：

(6)

式中:T為接頭上扣扭矩，N·m；f為摩擦系數(shù)，取f=0.020[16]；Ni為節(jié)點(diǎn)i的接觸應(yīng)力，Pa；Ri為節(jié)點(diǎn)i到管子軸線的距離, m。

需要注意的是，隨著上扣扭矩的增加，由于臺(tái)肩反力的作用，螺紋導(dǎo)向面逐漸分離，螺紋扭矩完全由承載面和齒底/齒頂接觸面來(lái)承擔(dān)。利用上述方法，計(jì)算得：

主臺(tái)肩扭矩Tz=18 752 N·m，副臺(tái)肩扭矩Tf=120 89 N·m，密封面扭矩Tm=4 638 N·m，螺紋扭矩∑Ti=10 875 N·m，總的上扣扭矩T=46 340 N·m。

4 加工與試驗(yàn)

采用數(shù)控機(jī)床加工，使用專(zhuān)用刀具和量具，加工的螺紋、密封面和臺(tái)肩光潔度、各項(xiàng)幾何參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。進(jìn)行的試驗(yàn)包括抗扭性能試驗(yàn)和氣密封試驗(yàn)。

4.1 抗扭性能試驗(yàn)

隨機(jī)加工2個(gè)樣品，記為1W、2W，每個(gè)樣品包括一個(gè)接箍和2段管體外螺紋，規(guī)格為φ177.8×10.36 mm,鋼級(jí)為 P110，進(jìn)行上扣試驗(yàn)。因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)規(guī)定套管至少承受3次上扣、2次卸扣而不發(fā)生粘扣，本次試驗(yàn)為了觀察第3次上扣后是否發(fā)生了粘扣，比標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求多上卸了1次，共上扣4次，卸扣3次。第1、2次上扣按最大扭矩(推薦的最大扭矩是24 500 N·m)進(jìn)行，第3次和第4次均按照旋轉(zhuǎn)下套管允許的最大扭矩(42 000N·m)上扣。

2個(gè)試樣第3次卸扣后，均外觀完好，未發(fā)生粘扣，如圖8所示。說(shuō)明這種套管接頭可以承受42 000 N·m的上扣扭矩。第4次仍然按照42 000 N·m上扣，然后進(jìn)行氣密封試驗(yàn)，驗(yàn)證在該扭矩下，接頭的氣密封性能是否可以滿足要求。

圖8 內(nèi)、外螺紋第3次卸扣后形貌

4.2 氣密封試驗(yàn)

參照ISO 13679標(biāo)準(zhǔn)要求[17]，在室溫條件下對(duì)1W、2W分別進(jìn)行氣密封試驗(yàn)。試驗(yàn)前將1W、2W試樣在180 ℃溫度下連續(xù)烘干12 h，消除螺紋脂對(duì)接頭氣密封性能的影響。然后利用干燥的氮?dú)庾鳛榧訅航橘|(zhì)，用高壓氣泵施加壓力。首先加壓到46.4 MPa，保壓15 min，檢查泄漏情況。然后進(jìn)一步加壓到77.3 MPa(管體的內(nèi)壁屈服壓力)，保壓15 min，檢查泄漏情況。試驗(yàn)過(guò)程中，兩試樣均未檢測(cè)到泄漏。試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，在42 000 N·m的扭矩條件下，接頭仍可以保持良好的氣密封性能。

5 結(jié) 論

1)API螺紋接頭受自身結(jié)構(gòu)限制，抗扭能力有限，如果要提高套管螺紋接頭的抗扭性能，依靠增設(shè)扭矩臺(tái)肩的方法是比較有效的。但增設(shè)扭矩臺(tái)肩后，要進(jìn)一步提高接頭抗扭能力，單純依靠增加臺(tái)肩厚度的方法不可取。

2)從扭矩臺(tái)肩結(jié)構(gòu)、密封面形式出發(fā)，設(shè)計(jì)出了一種雙臺(tái)肩接頭，該接頭的抗扭性能可以達(dá)到普通接頭3倍以上的抗扭能力，且在高扭矩下仍能保持良好的密封性能。

3)利用有限元方法，優(yōu)化了金屬/金屬密封面錐度，計(jì)算了接頭的抗扭能力，最后通過(guò)室內(nèi)全尺寸試驗(yàn)，驗(yàn)證了各項(xiàng)指標(biāo)。結(jié)果表明，該接頭抗扭能力強(qiáng)、氣密封性能好，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。